高原山區(qū)煤礦地下開(kāi)采地表塌陷機(jī)理探討

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1、第２９卷第４期甘肅科技Ｖｏｌ２９Ｎｏ４２０１３年２月ＧａｎｓｕＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＦｅｂ２０１３高原山區(qū)煤礦地下開(kāi)采地表塌陷機(jī)理探討田杰，王顯軍，葉明亮（貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)５５００２５）摘要：通過(guò)對(duì)松河礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害勘查，掌握了山區(qū)采空區(qū)塌陷的主要特征。運(yùn)用砌體梁理論探討了采空區(qū)塌陷的機(jī)理，并從地質(zhì)條件和采煤活動(dòng)兩方面總結(jié)了引發(fā)地面塌陷的主要影響因素。關(guān)鍵詞：采空區(qū)；地面塌陷；塌陷機(jī)理；影響因素中圖分類(lèi)號(hào)：Ｐ６４２２１２貴州省煤礦資源豐富，含煤面積達(dá)７萬(wàn)ｋｍ，占１４７％；其中可采煤層１層（３２號(hào)層），平均厚全省土地面積的４

2、０％。近年來(lái)大規(guī)模的開(kāi)采，小煤１５１ｍ，煤層厚度有一定變化，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。礦處處開(kāi)花，地下礦層大面積采空后，采空區(qū)圍巖應(yīng)力改變，使得以“開(kāi)采塌陷”為代表的地質(zhì)災(zāi)害頻繁２松河礦區(qū)采空區(qū)塌陷主要特征發(fā)生，破壞了耕地、林地及公路并造成村寨和城鎮(zhèn)房對(duì)松河井田煤層露頭沿線(xiàn)１０ｋｍ典型地質(zhì)災(zāi)害屋開(kāi)裂，給當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境和經(jīng)濟(jì)造成了巨大的損失?，F(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查，調(diào)查滑坡點(diǎn)１０個(gè)，崩塌、塌陷點(diǎn)通過(guò)對(duì)松河礦區(qū)二采區(qū)ＴＸ２的實(shí)地調(diào)查，初步研究１５個(gè)，地裂縫點(diǎn)１８?jìng)€(gè)。其中位于二采區(qū)的ＴＸ２，如＃認(rèn)為：松河礦區(qū)開(kāi)采塌陷具有臺(tái)階下沉特點(diǎn)。從力圖１所示，據(jù)調(diào)查，其底部３煤層基本被采空。塌學(xué)的角度揭示了采空

3、區(qū)塌陷的機(jī)理，并討論了引起陷方向３２７°，出露巖層為飛仙關(guān)組暗紫、紫灰、綠灰地面塌陷的主要影響因素，為礦山地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)及色粉砂巖薄層及中厚層狀?yuàn)A紫灰色粉砂質(zhì)泥巖，灰防治提供依據(jù)。綠色細(xì)砂巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層成塊裂結(jié)構(gòu)，上覆松散層較薄。塌陷成臺(tái)階狀，每級(jí)臺(tái)階寬約２０ｍ，長(zhǎng)１礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件及煤層賦存情況度約１００ｍ，臺(tái)階２～３級(jí)，臺(tái)階面走向２２３°，塌陷后松河井田為構(gòu)造剝蝕山地地貌，發(fā)育單面山，脊壁高２～３０ｍ。此類(lèi)塌陷主要發(fā)生在覆巖為砂巖及狀山，井田位于土城向斜北翼中段，為一單斜構(gòu)造，泥巖互層的山區(qū)或丘陵區(qū)。由于在山區(qū)和丘陵區(qū)地井田內(nèi)出露地層由老到新為：二疊系上統(tǒng)峨

4、嵋山玄下水位較底，巖層干燥，煤礦采空后上覆巖層隨采煤武巖組（Ｐ２β）、龍?zhí)睹航M（Ｐ２ｌ）、三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)進(jìn)度發(fā)生間歇性脆性下陷。其特點(diǎn)是存在一系列平組（Ｔ１ｆ）、永寧鎮(zhèn)組（Ｔ１ｙｎ）、第四系（Ｑ）。二疊系上行或弧狀落差裂縫，最大危害是易形成崩塌、滑坡。統(tǒng)峨嵋山玄武巖組（Ｐ２β）：平均厚６８２ｍ。二疊系上統(tǒng)龍?zhí)睹航M（Ｐ２ｌ）：厚３２２～３８４ｍ，平均３４１ｍ。三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組（Ｔ１ｆ）：平均厚６２１０ｍ。三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組（Ｔ１ｙｎ）：平均厚２４８０ｍ。第四系（Ｑ）：本井田第四系不發(fā)育，雖覆蓋較廣，但厚度不大，以殘積、坡積和沖積、亞砂土為主，多未膠結(jié)，厚度一般在

5、６０ｍ以?xún)?nèi)。松河井田煤礦井田內(nèi)含煤地層為二迭系上統(tǒng)龍?zhí)睹航M和峨嵋山玄武巖組第二段。二迭系上統(tǒng)龍?zhí)秷D１二采區(qū)ＴＸ２臺(tái)階式塌陷煤組煤層傾角２０°～３５°，主要可采煤層為５層（３、１２、１５、１７、１８），主要可采煤層平均總厚１０２６ｍ，集３采空區(qū)地面塌陷的形成機(jī)理中在上中煤組。上二迭統(tǒng)峨嵋山玄武巖第二段含煤埋藏在地下的煤層承受著上覆巖層的重力。煤地層：煤層傾角在２０°～３５°，厚４５～３９０ｍ，平均層采空以后，采空區(qū)上覆巖層形成自由面，原來(lái)的應(yīng)１６６ｍ，含煤總厚０～７１５ｍ，平均２４４ｍ。含煤系數(shù)力平衡被破壞。應(yīng)力重新分布時(shí)，產(chǎn)生集中應(yīng)力，覆第４期田杰等：高

6、原山區(qū)煤礦地下開(kāi)采地表塌陷機(jī)理探討４５２巖承受的應(yīng)力隨著采空區(qū)范圍的擴(kuò)大而增加，當(dāng)煤ｑＬＴ＝（１）層頂板集中應(yīng)力超過(guò)其極限強(qiáng)度時(shí)，頂板巖石就會(huì)８ｈ破裂塌落形成冒落帶。冒落的巖塊大小不一，雜亂式中：ｑ———裂隙體梁的載荷集度，Ｎ／ｍ；無(wú)章地充填到采空區(qū)。由于其上部巖層失去支撐或Ｌ———跨距，ｍ；支撐力不足，于是產(chǎn)生裂隙、離層及斷裂，但仍保持ｈ———基本頂巖層的厚度，ｍ。原有的巖層層次，即形成斷裂帶。斷裂帶巖層上部梁的剪切力Ｒ在兩端支座處最大，其值為ｑＬ／２的巖層，由于斷裂帶的巖層向下彎曲，在自身重力作當(dāng)剪切力與摩擦力相等時(shí)，呈極限平衡狀態(tài)，如果剪［２］用下，發(fā)生整體向下

7、彎曲，但既不破裂，也不脫落，故切力大于摩擦力，此結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)滑落失穩(wěn)。稱(chēng)為彎曲帶［１］，如圖２所示。結(jié)構(gòu)失穩(wěn)條件為：Ｒ＞Ｔｔａｎφ（２）２ｑＬｑＬ將Ｒ＝，Ｔ＝代入（２），得：２８ｈｈ１＞ｔａｎφ（３）Ｌ／２２式中：φ———巖塊間的摩擦角，°；ｈ———巖塊厚度，ｍ。由式（３）可知，圖４所示的三鉸拱巖塊結(jié)構(gòu)是否產(chǎn)生滑落失穩(wěn)主要取決于破斷巖塊的高長(zhǎng)比。因１圖２采煤工作面前后巖體形態(tài)此在ｔａｎφ，ｈ值一定的情況下，斷裂巖塊長(zhǎng)度越２（Ⅰ為冒落帶，Ⅱ?yàn)閿嗔褞В鬄閺澢鷰В┬?，巖體結(jié)構(gòu)越容易發(fā)生滑落失穩(wěn)。斷裂帶巖體為塊裂結(jié)構(gòu)，塊體間相互咬合、鉸如果考慮巖層斷裂時(shí)，斷